Proses Thermomodinamika dan Siklus Otto

PROSES-PROSES TERMODINAMIKA

1. Proses Isokoris (volume konstan)

Bila volume konstan, p/T = konstan,

pi/ Ti = pf/Tf

p f

i

V

Pada proses ini V = 0, maka usaha yang dilakukan W = 0, sehingga

Q = U = n cv T

2. Proses Isobaris (tekanan konstan)

Bila tekanan konstan, V/T = konstan,

Vi/ Ti = Vf/Tf

p

i f

V

Pada proses ini usaha yang dilakukan W = p V = p (Vf - Vi ) , sehingga

U = Q - W

U = n cp T - p V

5.3. Proses Isotermis (temperatur konstan)

Bila temperatur konstan, pV = konstan,

piVi = pfVf

p i

f

V

Pada proses ini T = 0, maka perubahan tenaga internal U = 0, dan usaha yang dilakukan :

W = p dV

p = nRT/V, maka

W = nRT (1/V) dV

W = nRT ln (Vf/Vi)

Q = W

5.4. Proses Adiabatis

Pada proses ini tidak ada kalor yang masuk, maupun keluar dari sistem, Q = 0. Pada proses adiabatik berlaku hubungan pV= konstan (buktikan),

piVi = pfV

f

p i

f

V

Usaha yang dilakukan pada proses adiabatis :

W = p dV

p = k/V , k = konstan , maka

W = (k/V ) dV

W = 1/(1-) { pfVf - piVi}

U = -W

6. PROSES TERBALIKKAN & PROSES TAK TERBALIKKAN

Secara alami kalor mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur rendah, tidak sebaliknya. Balok meluncur pada bidang, tenaga mekanik balok dikonversikan ke tenaga internal balok & bidang (kalor) saat gesekan. Proses tersebut termasuk proses tak terbalikkan (irreversible). Kita tidak dapat melakukan proses sebaliknya.

Proses terbalikkan terjadi bila sistem melakukan proses dari keadaan awal ke keadaan akhir melalui keadaan setimbang yang berturutan. Hal ini terjadi secara quasi-statik. Sehingga setiap keadaan dapat didefinisikan dengan jelas P, V dan T-nya. Sebaliknya pada proses irreversible, kesetimbangan pada keadaan perantara tidak pernah tercapai, sehingga P,V dan T tak terdefinisikan.

pasir p irreversible

f

i reversible

V

Reservoir kalor

7. MESIN KALOR

Rangkaian dari beberapa proses termodinamika yang berawal dan berakhir pada keadaan yang sama disebut siklus.

p 2

3

1 4

V

Untuk sebuah siklus, T = 0 oleh karena itu U = 0. Sehingga

Q = W.

Q menyatakan selisih kalor yang masuk (Q1) dan kalor yang keluar (Q2) (Q = Q1- Q2) dan W adalah kerja total dalam satu siklus.

7.1. Siklus Carnot

Tahun 1824 Sadi Carnot menunjukkan bahwa mesin kalor terbalikkan adengan siklus antara dua reservoir panas adalah mesin yang paling efisien.

Siklus Carnot terdiri dari proses isotermis dan proses adiabatis.

Proses a-b : ekaspansi isotermal pada temperatur Th (temperatur tinggi). Gas dalam keadaan kontak dengan reservoir temperatur tinggi. Dalam proses ini gas menyerap kalor Th dari reservoir dan melakukan usaha Wab menggerakkan piston.

Qh

a

b

d

Qc c

Proses b-c : ekaspansi adiabatik. Tidak ada kalor yang diserap maupun keluar sistem. Selama proses temperatur gas turun dari Th ke Tc (temperatur rendah) dan melakukan usaha Wab .

Proses c-d : kompresi isotermal pada temperatur Tc (temperatur tinggi). Gas dalam keadaan kontak dengan reservoir temperatur rendah. Dalam proses ini gas melepas kalor Qc dari reservoir dan mendapat usaha dari luar Wcd.

Proses d-a : kompresi adiabatik. Tidak ada kalor yang diserap maupun keluar sistem. Selama proses temperatur gas naik dari Tc ke Th dan mendapat usaha Wda .

Efisiensi dari mesin kalor siklus Carnot :

= W/Qh = 1 - Qc /Qh

karena Qc /Qh = Tc /Th (buktikan)

maka

= 1 - Tc /Th

7.2. Mesin Bensin

Proses dari mesin bensin ini dapat didekati dengan siklus Otto.

Proses O-A : Udara ditekan masuk ke dalam silinder pada tekanan atmosfir dan volume naik dari V2 menjadi V1.

Proses A-B : gas ditekan secara adiabatik dari V1 menjadi V2 dan temperaturnya naik Dari TA ke TB.

p

C

B D

O A

V2 V1 V

Proses B-C : terjadi proses pembakaran gas (dari percikan api busi), kalor diserap oleh gas Q h. Pada proses ini volume dijaga konstan sehingga tekanan dan temperaturnya naik menjadi pC

dan TC..

Proses C-D : Gas berekspansi secara adiabatik, melakukan kerja WCD.

Proses D-A : kalor Qc dilepas dan tekanan gas turun pada volume konstan.

Proses A-O : dan pada akhir proses, gas sisa dibuang pada tekanan atmosfir dan volume gas turun dari V1 menjadi V2..

Bila campuran udara-bahan bakar dianggap gas ideal, effisiensi dari siklus Otto adalah :

= 1 - 1/(V1/V2.) -1.

V1/V2. disebut rasio kompresi.

7.3. Mesin Diesel.

Mesin diesel diidealkan bekerja dengan siklus Diesel.

C

B

D

A

V2 V3 V1

Berbeda dengan mesin bensin, pembakaran gas dilakukan dengan memberikan kompresi hingga tekanannya tinggi. Pada proses BC terjadi pembakaran gas berekspansi sampai V3 dan dilanjutkan ekspansi adiabatik sampai V1. Rasio kompresi siklus Diesel lebih besar dari siklus Otto sehingga lebih efisien.

7. 4. Heat Pumps dan Refrigerators.

Heat pump adalah peralatan mekanis untuk memanaskan atau mendinginkan ruang dalam rumah/gedung. Bila berfungsi sebagai pemanas gas yang bersirkulasi menyerap panas dari luar (eksterior) dan melepaskannya di dalam ruang (interior). Bila difungsikan sebagai AC, siklus dibalik.

Temperatur panas, Th

Qh

W

Qc

Temperatur dingin, Tc

Efektifitas dari heat pump dinyatakan dalam Coefisien of Perfoment (COP),

COP =Qh/W

Refrigerator, seperti dalam heat pump, memompa kalor Qc dari makanan di dalam ruang ke luar ruangan.

COP = Qc/W

HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA

Mesin kalor yang telah dibahas sebelumnya menyatakan :

kalor diserap dari sumbernya pada temperatur tinggi (Qh)

Usaha dilakukan oleh mesin kalor (W).

Kalor dilepas pada temperatur rendah (Qc).

Dari kenyataan ini menujukkan bahwa efisiensi mesin kalor tidak pernah berharga 100 %. karena Qc selalu ada dalam setiap siklus. Dari sini Kelvin-Planck menyatakan :

“Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor, yang beroperasi pada suatu siklus, hanyalah mentransformasikan ke dalam usaha semua kalor yang diserapnya dari sebuah sumber”.

Temperatur tinggi,Th Temperatur tinggi, Th

Qh Qh

W W

Qc

Temperatur rendah, Tc Temperatur rendah, Tc

Mesin kalor Mesin kalor yang tidak mungkin

Sebuah heat pumps (atau refrigerator), menyerap kalor Qc dari reservoir dingin dan melepaskan kalor Qh ke reservoir panas. Dan ini hanya mungkin terjadi bila ada usaha/kerja yang dilakukan pada sistem. Clausius menyatakan :

“Untuk suatu mesin siklis maka tidak mungkin untuk menghasilkan tidak ada efek lain, selain daripada menyampaikan kalor secara kontinyu dari sebuah benda ke benda lain yang bertemperatur lebih tinggi”.

Temperatur tinggi,Th Temperatur tinggi, Th

Qh Qh

W

Qc Qc

Temperatur rendah, Tc Temperatur rendah, Tc

Refrigerator Refrigerator yang tak mungkin

Secara sederhana, kalor tidak dapat mengalir dari objek dingin ke objek panas secara spontan.

9. ENTROPI

Konsep temperatur muncul dalam hukum ke-nol termodinamika. Konsep energi internal muncul dalam hukum pertama termodinamika. Dalam hukum kedua termodinamika muncul konsep tentang entropi.

Misal ada proses terbalikkan, quasi-statik, jika dQ adalah kalor yang diserap atau dilepas oleh sistem selama proses dalam interval lintasan yang kecil,

dS = dQ/T

Entropi dari alam naik bila proses yang berlangsung alamiah

Perubahan entropi dari suatu sistem hanya tergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir sistem.

f

S = dS = dQ/T

i

Untuk proses dalam satu siklus perubahan entropi nol S = 0.

Untuk proses adiabatik terbalikkan, tidak ada kalor yang masuk maupun keluar sistem, maka S = 0. Proses ini disebut proses isentropik.

Entropi dari alam akan tetap konstan bila proses terjadi secara terbalikkan.

Untuk proses quasi-statik, terbalikkan, berlaku hubungan : dQ = dU + dW dimana dW = pdV. Untuk gas ideal, dU = ncv dT dan P = nRT/V, oleh karena itu

dQ = dU + pdV = ncv dT + nRT dV/V

bila dibagi dengan T

dQ/T = ncv dT/T + nR dV/V

S = dQ/T = ncv ln(Tf/Ti) + nR ln(Vf/Vi)

Siklus Otto

Siklus Otto adalah siklus thermodinamika yang paling banyak digunakan dalam kehidupan manusia. Mobil dan sepeda motor berbahan bakar bensin (Petrol Fuel) adalah contoh penerapan dari sebuah siklus Otto.

Secara thermodinamika, siklus ini memiliki 4 buah proses thermodinamika yang terdiri dari 2 buah proses isokhorik (volume tetap) dan 2 buah proses adiabatis (kalor tetap). Untuk lebih jelasnya dapat dilihat diagram tekanan (p) vs temperatur (V) berikut:

Proses yang terjadi adalah :

1-2 : Kompresi adiabatis

2-3 : Pembakaran isokhorik

3-4 : Ekspansi / langkah kerja adiabatis

4-1 : Langkah buang isokhorik

Beberapa rumus yang digunakan untuk menganalisa sebuah siklus Otto adalah sebagai berikut :

1. Proses Kompresi Adiabatis

T2/T1 = r^(k-1);  p2/p1 = r^k

 

2. Proses Pembakaran Isokhorik

T3 = T2 + (f x Q / Cv) ;   p3 = p2 ( T3 / T2)

 

3. Proses Ekspansi / Langkah Kerja

T4/T3 = r^(1-k) ;   p4/p3 = r^(-k)

 

4. Kerja Siklus

W = Cv [(T3 - T2) - (T4 - T1)] 

 

5. Tekanan Efektif Rata-rata (Mean Effective Pressure)

pme = W / (V1 – V2)

 

6. Daya Indikasi Motor

Pe = pme . n . i . (V1-V2) . z

 

Dimana parameter – parameternya adalah :

p = Tekanan gas (Kg/m^3)

T = Temperatur gas (K; Kelvin)

V = Volume gas (m^3)

r = Rasio kompresi (V1 – V2)

Cv = Panas jenis gas pada volume tetap ( kj/kg K) 

k = Rasio panas jenis gas (Cp/Cv)

f = Rasio bahan bakar / udara

Q = Nilai panas bahan bakar (kj/kg)

W = Kerja (Joule)

n = Putaran mesin per detik (rps)

i = Index pengali;  i=1 untuk 2 tak dan i=0.5 untuk 4 tak

z = Jumlah silinder

P = Daya ( Watt )